End-to-End Hybrid Refractive-Diffractive Lens Design with Differentiable Ray-Wave Model

混合折射-衍射透镜将折射透镜的光效率与衍射光学元件（DOE）的信息编码能力相结合，展示出作为下一代成像系统的巨大潜力。然而，准确模拟这样的混合设计通常很困难，特别是没有现有的足够准确的可微分成像模型用于混合透镜。在这项工作中，我们提出了一种新的混合光线追踪和波传播（光线-波）模型，用于精确模拟光学像差和衍射相位调制，其中DOE放置在最后一个折射面和图像传感器之间，即远离通常用作DOE位置的傅里叶平面。提出的光线-波模型是完全可微分的，可以进行端到端的折射-衍射透镜优化和图像重建网络的梯度反向传播。我们通过将模拟的点扩散函数（PSF）与理论结果进行比较以及模拟实验来验证所提出的模型的准确性，结果表明我们的模型比Zemax等商业软件包实现的解决方案更准确。我们通过真实世界实验证明了所提出的模型的有效性，并在像差校正和扩展焦深成像方面显示出显著的改进。我们相信所提出的模型将促进计算成像、计算摄影和先进光学设计的广泛应用的进一步研究。代码将在发表后发布。

提出了一种新的混合光学透镜模型，旨在解决混合透镜模拟的精度问题，以及在混合透镜优化和图像重建网络的端到端联合设计中实现梯度反向传播的问题。

论文提出了一种混合光学透镜的光线-波传播模型，将DOE放置在最后一个折射表面和图像传感器之间，实现了对光学像差和衍射相位调制的精确模拟，并且该模型是全可微的，可用于混合透镜优化和图像重建网络的端到端联合设计。

论文的模型比商业软件Zemax的解决方案更精确。实验结果表明，论文提出的模型在像差校正和扩展景深成像方面都有显著的改进。研究者将发布代码。

在计算成像、计算摄影和先进光学设计等领域中，混合光学透镜一直备受关注。最近的相关研究包括：1. 'Design of hybrid refractive-diffractive lenses for chromatic aberration correction in the visible and near-infrared spectral regions'; 2. 'Hybrid refractive/diffractive achromatic lens with extended depth of focus'; 3. 'Design of hybrid refractive-diffractive lenses for color imaging with extended depth of field'。